齊宏偉，張紅芬，田 斌

(1.華北科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院,河北 廊坊 065201；2.北京睿格致科技有限公司，北京 102200)

0 引言

近年來，隨著我國城市地下工程綜合體和地鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)加速，地下工程數(shù)量和規(guī)模急劇增加，地下工程建設(shè)事故呈現(xiàn)增長趨勢?；庸こ叹哂袕?fù)雜性高、技術(shù)涉及面廣、施工周期長，易受自然因素及場地環(huán)境影響等特點(diǎn)，其致險(xiǎn)因素多且復(fù)雜，極易引發(fā)各類事故[1-5]。李鳳偉等[1]對2003—2010年國內(nèi)地鐵建設(shè)中118起施工事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)得出塌陷和坍塌是最主要的事故類型；鐘春玲等[2]對有代表性的地鐵事故進(jìn)行了分析，提出施工過程中的坍塌事故發(fā)生頻率最高、危害最嚴(yán)重。筆者對我國2005—2018年地下工程建設(shè)的173起事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，按照事故發(fā)生次數(shù)、傷亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)了各類事故的占比，其中坍塌事故占比高達(dá)65%和61.5%。

坍塌引起的基坑失效往往以突發(fā)形式出現(xiàn)，極易引發(fā)重大工程事故和環(huán)境連鎖效應(yīng)。如我國杭州地鐵湘湖站基坑事故、廣州海珠城廣場基坑坍塌事故等幾起重大事故的發(fā)生，不僅造成較多的人員傷亡，而且對周圍環(huán)境造成不可彌補(bǔ)的破壞，經(jīng)濟(jì)損失巨大，產(chǎn)生極不利的社會(huì)影響[5-7]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是仿真技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體等技術(shù)集合發(fā)展的綜合技術(shù),通過視聽和觸覺使人獲得身臨其境的感覺。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于事故仿真是安全教育領(lǐng)域的新方向，適合危險(xiǎn)復(fù)雜環(huán)境場景與重大事故模擬，在煤礦、交通、化工、建筑工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用[8-12]。

本系統(tǒng)針對地下工程領(lǐng)域發(fā)生頻率最高、危害最嚴(yán)重的基坑坍塌事故，選取典型事故案例，研究制作了重大基坑坍塌事故的虛擬仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)典型事故重建、地下工程虛擬建造、工程風(fēng)險(xiǎn)識別等功能。

1 仿真系統(tǒng)開發(fā)流程與研究內(nèi)容

1.1 仿真系統(tǒng)開發(fā)流程

虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。首先確定系統(tǒng)功能和典型事故案例，對典型案例進(jìn)行深入研究；根據(jù)面向?qū)ο蟮脑瓌t，結(jié)合系統(tǒng)功能需求和事故特點(diǎn)進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；對應(yīng)不同模塊內(nèi)容，確定虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案與制作技術(shù)手段，完成系統(tǒng)平臺(tái)和場景制作；最后進(jìn)行系統(tǒng)合成和測試，系統(tǒng)應(yīng)用獲得反饋意見。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程Fig.1 Flow diagram of system development

1.2 仿真系統(tǒng)研究內(nèi)容與方法

虛擬仿真系統(tǒng)重點(diǎn)研究以下內(nèi)容：

1)系統(tǒng)功能目標(biāo)

明確系統(tǒng)使用對象和系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)使用對象確定為施工企業(yè)管理者、施工技術(shù)員和工人、土木與安全專業(yè)學(xué)生、安全監(jiān)察監(jiān)管人員。系統(tǒng)需同時(shí)實(shí)現(xiàn)施工崗前培訓(xùn)與安全教育、專業(yè)教育、安全監(jiān)察監(jiān)管培訓(xùn)功能。

2)典型事故案例研究

收集整理事故素材，對重大基坑坍塌事故案例進(jìn)行研究。通過研究事故調(diào)查報(bào)告和學(xué)者的學(xué)術(shù)研究成果，全面分析事故機(jī)理與事故引發(fā)因素。

3)虛擬仿真系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)使用對象和功能目標(biāo)，結(jié)合典型事故案例特點(diǎn)、事故致險(xiǎn)因素對推動(dòng)事故發(fā)生的作用效應(yīng)，確定仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研究系統(tǒng)模塊組成與各模塊內(nèi)容。

4)虛擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)各模塊內(nèi)容和功能需求不同，確定不同模塊實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段，研究場景創(chuàng)建方案、技術(shù)方案和VR過程流程。

2 典型事故案例研究

2.1 案例選擇與研究

首先，基坑坍塌事故虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到工程事故警示教育目的，因此，事故案例的選擇應(yīng)是對環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失的重大事故。其次，重大事故引發(fā)除涉及各級管理和經(jīng)濟(jì)原因，應(yīng)在施工技術(shù)、設(shè)計(jì)理論方法上存在重大失誤，只有對引發(fā)事故的機(jī)理、錯(cuò)誤設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行深入解析，才能達(dá)到事故案例教育的目的。

杭州地鐵湘湖站北2基坑坍塌事故是我國地鐵建設(shè)重大事故之一，造成極大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重破壞周圍環(huán)境，造成不利的社會(huì)影響。事故工程地質(zhì)條件與場地環(huán)境復(fù)雜，工程在施工、設(shè)計(jì)、監(jiān)測監(jiān)管等各環(huán)節(jié)暴露出諸多問題。

文獻(xiàn)[5-7]、[13-16]詳細(xì)介紹了該工程場地環(huán)境、工程地質(zhì)、設(shè)計(jì)施工方案及實(shí)施情況，深入分析了事故鏈各方的責(zé)任以及施工實(shí)施、設(shè)計(jì)方案存在的重大失誤。針對設(shè)計(jì)理論存在的問題，李廣信[6,14]指出了穩(wěn)定分析、地面超載設(shè)計(jì)、高靈敏度軟土強(qiáng)度選用的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；張曠成等[15]對原基坑深部穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算復(fù)核，對內(nèi)支撐設(shè)計(jì)方案、抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選取提出建議；陳云敏等[16]研究了深埋地下結(jié)構(gòu)施工對基底土的擾動(dòng)及其對地基沉降的影響；程雪松等[17-18]對基坑支護(hù)體系的冗余度設(shè)計(jì)與連續(xù)破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。

2.2 事故致險(xiǎn)因素研究

2.2.1 事故致險(xiǎn)因素分析

根據(jù)事故報(bào)告和多位學(xué)者對事故機(jī)理研究成果，對事故影響因素進(jìn)行重新梳理和總結(jié)。將事故致險(xiǎn)因素總結(jié)為施工因素、設(shè)計(jì)因素和環(huán)境因素，各因素的關(guān)鍵技術(shù)問題及對工程安全度和工程風(fēng)險(xiǎn)性影響如圖2所示。

圖2 致險(xiǎn)因素關(guān)鍵技術(shù)問題Fig.2 Key technical problem of the risk factors

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在設(shè)計(jì)方案缺陷和理論計(jì)算缺陷兩大問題。由于未重視強(qiáng)靈敏度軟粘土的高靈敏特性，設(shè)計(jì)中出現(xiàn)地連墻嵌固深度不足、基坑抗隆起穩(wěn)定和抗踢腳穩(wěn)定性不足以及土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、地面超載計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)和基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)選用不合理情況，大大降低了設(shè)計(jì)安全度。

施工環(huán)節(jié)存在施工組織不嚴(yán)密、忽視施工關(guān)鍵技術(shù)、隨意變更設(shè)計(jì)方案等問題。其中施工未分區(qū)分段開挖、土方超挖是導(dǎo)致事故發(fā)生的重要原因，極大增加了施工的風(fēng)險(xiǎn)性；施工取消基底加固方案、變更基坑降水方案降低了工程的安全度；對鋼管支撐連接構(gòu)造處理簡單增大了支護(hù)結(jié)構(gòu)的易損性；對監(jiān)測數(shù)據(jù)忽視和對事故征兆的草率處置為重大事故發(fā)生埋下隱患。

環(huán)境因素考慮場地條件、施工環(huán)境和天氣影響。工程場地為深厚的淤泥及淤泥質(zhì)黏土層，臨近市政大道的往復(fù)車輛、施工重型車輛的動(dòng)力和重復(fù)荷載作用加大了對高靈敏性軟粘土的擾動(dòng)，持續(xù)降雨降低了土的抗剪強(qiáng)度、增大了土壓力，使支護(hù)體系安全度進(jìn)一步降低。

2.2.2 致險(xiǎn)因素推動(dòng)事故發(fā)生作用

將事故致險(xiǎn)因素進(jìn)一步歸類，按照各因素對推動(dòng)事故發(fā)生的作用效應(yīng)不同區(qū)分主次因素，依次為：工程施工組織與技術(shù)缺陷、工程設(shè)計(jì)方案缺陷(含方案變更)、工程理論計(jì)算缺陷、環(huán)境因素，如圖3所示。其中違規(guī)施工、基坑嚴(yán)重超挖、支撐系統(tǒng)缺陷等工程施工組織和技術(shù)缺陷是事故調(diào)查報(bào)告給出的事故直接原因，確定為引發(fā)事故的主要因素；工程設(shè)計(jì)方案缺陷與變更使得基坑整體設(shè)計(jì)體系可靠性不足、魯棒性和冗余度不足、工程防連續(xù)倒塌性能不足，確定為第2因素；具體的設(shè)計(jì)理論計(jì)算雖然存在參數(shù)取值不合理、穩(wěn)定性驗(yàn)算不足等問題，但只是安全系數(shù)未達(dá)到規(guī)定要求，確定為第3因素，環(huán)境因素促使了事故的引發(fā)，為第4因素。

圖3 致險(xiǎn)因素推動(dòng)事故發(fā)生作用Fig.3 Roles of the risk factors pushing accident occurrence

3 仿真系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)面向?qū)ο蟮脑瓌t，結(jié)合系統(tǒng)功能需求和事故案例特點(diǎn)進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。系統(tǒng)要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)專業(yè)教育、崗前培訓(xùn)與安全教育、安全監(jiān)察監(jiān)管培訓(xùn)功能。專業(yè)教育要求對設(shè)計(jì)施工方案方法進(jìn)行詳細(xì)解讀，理論依據(jù)可靠，具有一定的專業(yè)深度；施工崗前培訓(xùn)與安全教育要求涉及的施工技術(shù)要點(diǎn)準(zhǔn)確、對錯(cuò)誤的施工組織與技術(shù)重點(diǎn)提示、注重事故征兆和事故發(fā)生發(fā)展過程、體驗(yàn)災(zāi)難場景的震撼性；安全監(jiān)察監(jiān)管培訓(xùn)功能重點(diǎn)為工程監(jiān)管、應(yīng)急救援與事故處理。

綜合上述分析，確定虛擬仿真系統(tǒng)模塊構(gòu)成，包含工程概況、事故再現(xiàn)、事故分析、應(yīng)急救援與事故處理4大模塊，下設(shè)15個(gè)分級菜單。工程概況包括場地環(huán)境、工程地質(zhì)、工程設(shè)計(jì)、工程施工4部分內(nèi)容；事故再現(xiàn)包括事故預(yù)兆、事故情景再現(xiàn)和現(xiàn)場破壞描述；事故分析包含設(shè)計(jì)分析、施工分析、管理分析；應(yīng)急救援與事故處理包含應(yīng)急救援、事故調(diào)查、行政處罰3部分。其中施工分析包括安全施工與環(huán)境監(jiān)測、施工技術(shù)分析、正確施工流程3方面內(nèi)容。仿真系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

圖4 仿真系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)Fig.4 Module design of the simulation system

系統(tǒng)展示重點(diǎn)為施工場景還原、深基坑施工流程與工藝、事故發(fā)生發(fā)展過程。對錯(cuò)誤的施工方案、施工流程及錯(cuò)誤工藝進(jìn)行全過程動(dòng)畫模擬，展示直觀的施工場景；對設(shè)計(jì)、監(jiān)測、環(huán)境等因素的影響，在不同階段、采取不同形式予以說明和提示；事故發(fā)生發(fā)展過程、基坑整體坍塌和引發(fā)周圍環(huán)境破壞的災(zāi)難場景，采取三維動(dòng)畫和場景漫游形式進(jìn)行事故情景再現(xiàn)；其他模塊以文本形式為主。

4 虛擬仿真系統(tǒng)制作與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)工具

虛擬仿真系統(tǒng)采用Unity3d作為開發(fā)工具，C#為軟件編程語言，應(yīng)用3ds Max創(chuàng)建動(dòng)畫模型。C#是Unity3d開發(fā)的首選語言，綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率。Unity3d是一款適于創(chuàng)建建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型開發(fā)工具，Unity支持C#腳本語言，支持大部分3D模型，動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞬時(shí)導(dǎo)入。3ds Max與Unity3d技術(shù)結(jié)合，是構(gòu)建建筑工程虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景的最佳平臺(tái)。

4.2 基坑場景創(chuàng)建

根據(jù)原場地布置圖、GPS衛(wèi)星圖、事故圖片等資料創(chuàng)建原建設(shè)場地周邊環(huán)境，真實(shí)還原周邊建筑、道路、學(xué)校操場、建設(shè)河等場地全貌。根據(jù)原工程設(shè)計(jì)、施工資料創(chuàng)建工程建設(shè)場景模型，重現(xiàn)基坑開挖和支護(hù)的建造過程，展示基坑施工錯(cuò)綜復(fù)雜的空間關(guān)系、繁瑣的工序。

模型創(chuàng)建包括場地場景模型、建筑模型、工程模型、工程構(gòu)件與機(jī)具設(shè)備模型。為實(shí)現(xiàn)模型的逼真效果，幾何模型采用3ds max創(chuàng)建，應(yīng)用Photo Shop進(jìn)行圖形處理，Unfold3D作為UV展開工具，Substance Painter進(jìn)行貼圖繪制，應(yīng)用Z-Brush工具對幾何模型進(jìn)行優(yōu)化和材質(zhì)的賦予。圖5為事故基坑場景和典型的工程隱患。

圖5 事故基坑典型場景及工程隱患Fig.5 Sign of the foundation pit and hidden dangers

4.3 事故災(zāi)難場景3D再現(xiàn)

4.3.1 事故關(guān)鍵事件及其相互關(guān)系

事故災(zāi)難場景再現(xiàn)以事故征兆、事故發(fā)生發(fā)展過程和現(xiàn)場破壞場景為主要內(nèi)容，再現(xiàn)了從路面開裂下沉、鋼管支撐破壞、擋土墻破裂，到路面塌陷、基坑坍塌、支撐體系打翻散落、河水倒灌涌入基坑的整個(gè)事故流程和災(zāi)難場景。

事故場景設(shè)計(jì)關(guān)鍵是構(gòu)建清晰的事件發(fā)生次序、建立事件間的關(guān)聯(lián)性，突出事故突發(fā)后的4個(gè)災(zāi)難場景及其發(fā)生發(fā)展過程。事故情景再現(xiàn)關(guān)鍵事件及其相互關(guān)系如圖6所示。

圖6 事故情景再現(xiàn)關(guān)鍵事件Fig.6 Key events of the accident scene emersion

4.3.2 事故征兆與事故引發(fā)環(huán)境因素

提出對事故征兆草率處理以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)的忽視會(huì)引發(fā)重大事故的警示，同時(shí)突出施工邊載以及持續(xù)性降雨等環(huán)境因素增大軟土擾動(dòng)對基坑坍塌的影響。事故典型征兆及環(huán)境場景如圖7所示。

圖7(a)為關(guān)鍵事故預(yù)兆場景，展示事故發(fā)生1個(gè)月前發(fā)生的路面開裂、地連墻開裂現(xiàn)象，事故發(fā)生前1周機(jī)動(dòng)車道、人行道出現(xiàn)的多處裂縫，事故發(fā)生前2天測得超過警戒值的基坑擋墻最大側(cè)向位移等畫面。圖7(b)為事故引發(fā)環(huán)境因素場景，突出基坑相鄰道路川流不息的來往車輛、基坑一側(cè)重型施工機(jī)械及施工堆載場景。

圖7 事故征兆與環(huán)境場景Fig.7 The sign of the accidents and environments

4.3.3 事故災(zāi)難場景

事故典型場景畫面如圖8所示。

1)在模型演示過程中，首先出現(xiàn)事故突發(fā)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)場景，停在基坑施工現(xiàn)場西側(cè)風(fēng)情大道的十幾輛車重成為引發(fā)基坑垮塌的“最后一根稻草”[14]，即臨界荷載。伴隨背景音樂，畫面暫停，場景突出紅燈、車輛、基坑，預(yù)示災(zāi)難事件來臨。

2)圖8(a)為路面坍塌場景，展現(xiàn)路面開裂下沉、車輛搖晃傾斜、突然間大面積坍塌、地下管道水涌出、路面及車輛淹沒場景。

3)圖8(b)為地連墻破壞與基坑坍塌場景，展現(xiàn)地連墻迅速開裂、鋼筋籠鼓出、混凝土碎裂崩塌的破壞過程，突出展現(xiàn)基坑整體轟然坍塌的災(zāi)難場景。

4)圖8(c)為場地整體破壞場景，展現(xiàn)鋼管支撐系統(tǒng)突然打翻、傾倒散落于基坑，建設(shè)河河水向坍塌基坑漫延場景。

5)圖8(d)為河水倒灌涌入基坑，從擋土墻裂隙噴涌入基坑場景。

4.3.4 事故場景制作技術(shù)

事故發(fā)生發(fā)展過程場景涉及流體動(dòng)畫、破碎動(dòng)畫、塌陷動(dòng)畫、線性環(huán)繞等非常規(guī)性寫實(shí)動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)，需要分析各動(dòng)畫特點(diǎn)屬性，明確效果要求、匹配技術(shù)手段、對應(yīng)工具插件等。各場景制作技術(shù)與流程如下：

1)路面、擋土墻坍塌場景：路面、擋土墻等幾何模型及物理模型單元化破碎→碎塊綁定及坍塌路徑設(shè)計(jì)→碎塊動(dòng)畫Ray Fire碰撞模擬→自定義碎塊動(dòng)畫調(diào)節(jié)→動(dòng)作幀數(shù)賦予。

圖8 事故3D再現(xiàn)典型場景Fig.8 Typical scenes on the accident 3D reappearance

2)鋼支撐傾覆場景：應(yīng)用Ray Fire進(jìn)行碰撞模擬。

3)河水倒灌景象：應(yīng)用水元素幻影粒子制作，序列幀動(dòng)態(tài)貼圖流動(dòng)模擬河水漫延。

4)河水涌入基坑景象：應(yīng)用泥水材質(zhì)貼圖繪制，進(jìn)行水面上升動(dòng)畫模擬、材質(zhì)貼圖采用動(dòng)態(tài)序列幀調(diào)節(jié)。

5)事故場景漫游：將攝像機(jī)置于不同位置實(shí)現(xiàn)場景漫游，以從不同角度體驗(yàn)基坑坍塌帶來的災(zāi)難場景，突出事故場景的真實(shí)感和震撼力，增強(qiáng)交互性和事故體驗(yàn)沉浸感。

5 結(jié)論

1)重大基坑坍塌事故虛擬仿真系統(tǒng)以杭州地鐵湘湖站北2基坑坍塌事故為素材研究制作。對案例事故涉及的設(shè)計(jì)、施工、環(huán)境3大因素的技術(shù)問題進(jìn)行總結(jié)，致險(xiǎn)因素按照對推動(dòng)事故發(fā)生所起作用不同依次為工程施工組織與技術(shù)缺陷、工程設(shè)計(jì)方案缺陷、工程理論計(jì)算缺陷、環(huán)境因素。

2)虛擬仿真系統(tǒng)由工程概況、事故再現(xiàn)、事故分析、應(yīng)急救援與事故處理4大模塊構(gòu)成，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)施工崗前培訓(xùn)與安全教育、專業(yè)教育、安全監(jiān)察監(jiān)管培訓(xùn)功能。

3)對工程建設(shè)場景及深基坑施工過程進(jìn)行仿真模擬，展示了基坑錯(cuò)綜復(fù)雜的空間關(guān)系及施工工序，以三維動(dòng)畫方式再現(xiàn)導(dǎo)致事故發(fā)生的關(guān)鍵因素，對預(yù)防同類基坑事故發(fā)生具有指導(dǎo)意義。

4)事故場景仿真展示了事故發(fā)生瞬間的場地環(huán)境變化，再現(xiàn)了路面塌陷、支撐體系失效、基坑坍塌、河水倒灌的事故過程和災(zāi)難場景。模擬的事故災(zāi)難場景真實(shí)性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的震撼力，達(dá)到事故警示教育的目的。